面向土地利用制圖的GIS野外綜合實習(xí)設(shè)計

肖裕淼 李泓軒 李浩 劉素紅 胡萬清 肖忱楓 謝云

摘 要：GIS野外實習(xí)是地理專業(yè)的重要教學(xué)環(huán)節(jié)。目前，大多數(shù)高校的GIS實習(xí)主要依賴于室內(nèi)數(shù)據(jù)分析和模擬實驗，缺乏針對具體問題的包括數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理、結(jié)果分析等完整步驟的野外實踐教學(xué)體系。本文以廣東省韶關(guān)市仁化縣夏富村為例，面向土地利用制圖這一主題，介紹一套基于無人機的GIS野外綜合實習(xí)的完整方案，旨在幫助學(xué)生接受全過程的野外研究訓(xùn)練，以更好地理解和應(yīng)用GIS技術(shù)，同時也為高校開展GIS野外實習(xí)提供有益參考。

關(guān)鍵詞：GIS實踐教學(xué)；野外實習(xí)；無人機；土地利用

中圖分類號：G642.44? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ?文章編號：1005-5207（2024）08-0070-04

一、引言

隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，地理信息科學(xué)（GIS）已成為一個多學(xué)科交叉的前沿領(lǐng)域，在國土管理、環(huán)境保護、交通運輸、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、地質(zhì)勘探和海洋開發(fā)等諸多領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用［1］。GIS技術(shù)的發(fā)展及其廣泛應(yīng)用引發(fā)了對GIS專業(yè)人才需求的急劇增長。GIS專業(yè)人才不僅需具備扎實的理論基礎(chǔ)，更要掌握出色的實踐操作能力。因此，實踐教學(xué)在GIS教育中占據(jù)舉足輕重的地位，它不僅是地理教學(xué)的核心環(huán)節(jié)，更是培養(yǎng)學(xué)生綜合思維與區(qū)域認知能力的關(guān)鍵途徑。

野外實習(xí)作為地理教學(xué)的重要組成部分，能夠有效地培養(yǎng)學(xué)生的綜合思維與區(qū)域認知能力，同時激發(fā)他們的學(xué)習(xí)積極性，提升其實踐能力［2］。隨著地理學(xué)研究的深入，人們越來越重視對人地關(guān)系地域系統(tǒng)的綜合分析研究，于是也越來越強調(diào)耦合自然地理、人文地理與地理信息科學(xué)等多領(lǐng)域的區(qū)域地理綜合實習(xí)［3］。GIS實習(xí)提供了這一平臺，通過地理空間技術(shù)的應(yīng)用，將野外自然地理要素與人文現(xiàn)象有機結(jié)合，從而促進區(qū)域地理的綜合研究［4］。然而，當(dāng)前在高校GIS課程的實習(xí)訓(xùn)練，大多數(shù)仍停留于使用GIS軟件處理現(xiàn)有數(shù)據(jù)的上機實驗，缺少一個針對具體問題的包括數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理、結(jié)果分析等完整步驟的野外實踐教學(xué)體系［5］。在GIS實習(xí)過程中，數(shù)據(jù)獲取是極其重要的先導(dǎo)環(huán)節(jié)，數(shù)據(jù)質(zhì)量直接影響分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，決定了最終成果的質(zhì)量上限。因此，教授學(xué)生如何自主采集高質(zhì)量的原始數(shù)據(jù)是GIS實習(xí)教學(xué)的關(guān)鍵，有利于充分鍛煉學(xué)生的實踐技能與自主學(xué)習(xí)能力。

無人機技術(shù)作為一種新興的對地觀測平臺，以其操作簡便、體積小巧、數(shù)據(jù)分辨率可控等優(yōu)點，已成為生產(chǎn)高精度、高分辨率數(shù)據(jù)的重要工具，這為GIS野外實習(xí)數(shù)據(jù)獲取提供了新的思路［6］。本文以廣東省韶關(guān)市仁化縣夏富村為例，面向土地利用制圖這一具體問題，介紹并實施了一套基于無人機的GIS野外綜合實習(xí)的完整方案，旨在幫助學(xué)生接受全面、全過程的野外研究訓(xùn)練，以更好地深入理解和應(yīng)用GIS技術(shù)，提升地理實踐能力與鍛煉綜合分析思維。

二、野外實習(xí)區(qū)概況

廣東省韶關(guān)市仁化縣丹霞山，坐落于南嶺南麓的秀麗山間盆地之中，其總面積達到292 km2，是全球發(fā)育最典型、類型最齊全、造型最豐富、景觀最優(yōu)美的丹霞地貌集中分布區(qū)［7］。丹霞山位于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫為19.6 ℃，1月平均氣溫為9.3 ℃，7 月平均氣溫為28.4 ℃，年降雨量為1 660.5 mm。流經(jīng)該地的錦江是珠江水系干流之一的北江水系上游段的主要支流之一。該地自然資源豐富，地理景觀獨特，是諸多高校開展野外實習(xí)的選擇。夏富村位于丹霞山河谷中、錦江河流階地上，地理坐標(biāo)為113°36'25″E，25°04'12″N，常住人口為6 000多人、耕地面積達到2.588 km2。夏富村早期以發(fā)展種植業(yè)為主，近年來隨著旅游業(yè)興起，逐漸形成了旅游業(yè)與種植業(yè)并重的經(jīng)濟發(fā)展格局。村內(nèi)建筑獨特，融合了徽派、嶺南派、西洋等風(fēng)格，古牌坊、古祠堂等歷史遺跡保存完好，為這片土地增添了濃厚的人文氣息。2013年，夏富村被評為廣東省十大最美古村落之一。因此，位于丹霞山景區(qū)的夏富村，既保留了較多獨特的自然地理景觀，又在一定程度上進行了人文開發(fā)，為面向土地利用制圖的GIS野外實習(xí)提供了良好的研究對象與實踐機會。

三、實習(xí)方案設(shè)計

1.實習(xí)目標(biāo)

本實習(xí)方案的核心目標(biāo)在于幫助學(xué)生深入理解和掌握無人機在GIS數(shù)據(jù)獲取中的應(yīng)用。通過實際操作無人機獲取高質(zhì)量的原始數(shù)據(jù)，并運用GIS軟件進行后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和分析，結(jié)合實地調(diào)研，最終完成高精度土地利用制圖。實習(xí)致力于培養(yǎng)學(xué)生的實際問題解決能力和創(chuàng)新思維，通過將理論知識與實踐操作緊密融合，以期提升學(xué)生在實際學(xué)習(xí)與工作中對無人機與GIS應(yīng)用的操控能力。

2.實習(xí)任務(wù)

利用無人機的高分辨率與高精度定位系統(tǒng)，對夏富村及其毗鄰區(qū)域進行航空拍攝，采集具備坐標(biāo)信息的高清影像數(shù)據(jù)；運用“大疆智圖”等專業(yè)軟件，對拍攝圖像進行精細拼接，生成研究區(qū)域的高精度正射影像和數(shù)字表面模型（DSM）數(shù)據(jù)；結(jié)合正射影像、DSM數(shù)據(jù)與實地調(diào)查資料，制作夏富村及其周邊地區(qū)的土地利用圖，以深化對當(dāng)?shù)赝恋刭Y源分布與利用狀況的認知。

3.實習(xí)難點與重點

（1）難點

無人機操作需要精確的技巧和判斷力，對于初學(xué)者構(gòu)成一定的挑戰(zhàn)；數(shù)據(jù)處理過程相對復(fù)雜，需熟練掌握GIS軟件的基本操作和數(shù)據(jù)處理技能；土地利用分類和制圖需要對實習(xí)區(qū)域的地貌、植被、水文與土地資源利用狀況等有深入了解。

（2）重點

無人機操作的基本原理和注意事項是確保數(shù)據(jù)采集質(zhì)量的基礎(chǔ)；GIS軟件在數(shù)據(jù)處理和土地利用制圖中的應(yīng)用流程和方法是實習(xí)的核心技能要求；實地調(diào)查和遙感影像等資料的收集和分析是確保研究成果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。

4.實習(xí)步驟

（1）儀器準(zhǔn)備

室外儀器包括2臺大疆精靈（DJI PHANTOM）4RTK型號無人機（每臺無人機配有遙控手柄1個、遙控手柄電池1個、64G遙控手柄SD卡1張、128G無人機SD卡1張、充電器2個）、14塊無人機電池、2個讀卡器以及3臺帶有定位功能的手機。大疆精靈4RTK 是一款小型多旋翼高精度航測無人機，面向低空攝影測量應(yīng)用，具備厘米級導(dǎo)航定位系統(tǒng)和高性能成像系統(tǒng)，便攜易用，全面提升航測效率，十分適用于高校教學(xué)與研究。室內(nèi)設(shè)備為配有大疆智圖、ArcGIS等軟件的計算機。其中，大疆智圖是一款提供自主航線規(guī)劃、飛行航拍、二維正射影像與三維模型重建的PC應(yīng)用軟件，是轉(zhuǎn)化野外真實情景為精準(zhǔn)數(shù)字資料的有效工具。本方案將使用大疆智圖拼接航拍影像為高質(zhì)量的正射影像與DSM數(shù)據(jù)。

（2）無人機操作培訓(xùn)

正式作業(yè)之前，學(xué)生需提前完成室內(nèi)操控?zé)o人機的模擬訓(xùn)練。此外，鑒于實習(xí)區(qū)位于地形較復(fù)雜的山區(qū)，對無人機操作技巧要求較高，因此，本方案實習(xí)人員還在較為平坦的珠海市淇澳島進行了多次數(shù)據(jù)采集訓(xùn)練，以確保在正式操作時的熟練程度。

（3）航線規(guī)劃

根據(jù)實習(xí)區(qū)域范圍與坐標(biāo)，制定飛行計劃與航線。設(shè)計原則：確保無人機飛行安全、達到實習(xí)目的、盡可能得到高分辨率影像。由于研究區(qū)域范圍較大，無人機單次作業(yè)航程有限，本方案采用分區(qū)多次飛行的方式采集數(shù)據(jù)。在準(zhǔn)備階段，基于ArcGIS軟件，疊加在線遙感影像，結(jié)合實地調(diào)查，勾畫地塊以完整覆蓋研究區(qū)域，并將各樣區(qū)導(dǎo)出為KML文件。本方案設(shè)計地塊大小均為490 m * 440 m，共制定task01～task10十項任務(wù)（圖1）。飛行的起飛點共設(shè)置3個（P1、P2、P3）：P1完成task01的飛行，飛行高度350 m；P2完成task02、task03、task04、task05、task08、task09，飛行高度200 m；P3完成task06、task07、task10，飛行高度200 m。三次飛行速度均為7.9 m/s，地塊平均飛行時間20 min，航向重疊度80%，旁向重疊度70%，以確保有充足同名點用于構(gòu)建正射影像。

（4）航線導(dǎo)入與野外飛行

將地塊KML數(shù)據(jù)導(dǎo)入無人機，在保證安全的同時完成飛行作業(yè)。注意飛行前要完成指南針校準(zhǔn)，每次地塊飛行完畢之后立即查看數(shù)據(jù)檢查是否滿足需求，必要時及時補飛，并且導(dǎo)出數(shù)據(jù)備份，防止數(shù)據(jù)意外丟失。同時，本方案提前設(shè)置了無人機最大飛行高度為500 m，最遠飛行距離為2 km，以防止無人機失聯(lián)。飛行作業(yè)時需要注意起降點周圍的山體、植物與建筑物等，根據(jù)實際情況靈活調(diào)整起降場地、飛行高度與速度等，實時觀察無人機飛行狀態(tài)，以免無人機信號丟失。此外，需保持航線方向盡量與盛行風(fēng)向相反，以防止因順風(fēng)或側(cè)風(fēng)而發(fā)生事故。在飛行過程中，如果回傳畫面亮度過亮或過暗，則需調(diào)整無人機鏡頭焦點。

5.數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理關(guān)系到最終土地利用制圖的精度與準(zhǔn)確性。本方案采用大疆智圖軟件對無人機拍攝的影像進行處理，包括影像拼接、正射影像和DSM數(shù)據(jù)輸出。結(jié)合實地調(diào)查、正射影像和DSM數(shù)據(jù)以及《土地利用現(xiàn)狀分類》標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 21010-2017），確定土地利用的分類體系，并建立對不同地物影像的感知和辨別能力。本方案劃定了農(nóng)田、果園、林地、建筑、水域、道路、草地共7種土地利用類型，每一種類型都對應(yīng)著特定的影像特征和實地景觀。

（1）目視解譯

目視解譯是GIS數(shù)據(jù)處理的一項基礎(chǔ)工作，它通過對遙感影像的直觀分析來識別和分類不同的地物。本方案使用ArcMap10.8軟件進行影像處理。首先，通過對輸入的正射影像的觀察與分析，先勾畫出地物的邊界（勾畫線矢量），將影像的線矢量轉(zhuǎn)換為面矢量（線矢量轉(zhuǎn)面），并為不同的面矢量賦予相應(yīng)的土地利用類型（面矢量賦類型），以此完成對遙感影像的目視解譯工作（圖2）。這一過程不僅需要學(xué)生對地物特征有深刻理解，還需要有對GIS軟件的熟練操作技巧。同時，在目視解譯的過程中，需要參考《土地利用現(xiàn)狀分類》標(biāo)準(zhǔn)，以確保土地利用類型的準(zhǔn)確性與一致性。例如，通過對影像中田塊的形狀、紋理、顏色和陰影等特征的分析，可將其準(zhǔn)確分類為農(nóng)田。同樣，通過對建筑物的輪廓、密度和排列方式的觀察，可將其識別為建筑用地。

（2）拓撲檢查

完成目視解譯后，需要對解譯結(jié)果進行拓撲檢查，以確保數(shù)據(jù)的拓撲關(guān)系正確且完整。拓撲檢查是GIS數(shù)據(jù)處理中至關(guān)重要的一步，用于發(fā)現(xiàn)和修正數(shù)據(jù)空間關(guān)系的錯誤與不一致性，是提高土地利用制圖質(zhì)量的重要手段。本方案采用了“同一圖層中的區(qū)域之間不能存在空隙”的拓撲規(guī)則進行檢查修正。通過拓撲檢查，學(xué)生可發(fā)現(xiàn)和修正解譯結(jié)果中的遺漏或錯誤，如相鄰地塊的邊界不連續(xù)或重疊等。這些錯誤可能會導(dǎo)致土地利用圖的不準(zhǔn)確與不一致，從而影響后續(xù)分析與應(yīng)用。

（3）結(jié)果驗證與優(yōu)化

在完成拓撲檢查后，需要對解譯結(jié)果進行驗證和優(yōu)化。這一步驟通過與實地調(diào)查結(jié)果進行對比來完成。通過參考實地數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)，對存在疑問和偏差的地塊進行調(diào)整，以提高結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性，最終完成高精度的土地利用制圖。這一過程不僅有助于提高制圖結(jié)果的質(zhì)量，也有利于學(xué)生加深對土地利用變化的理解和認識。

6.實習(xí)結(jié)果

（1）正射影像

夏富村及其周邊地區(qū)的正射影像與DSM數(shù)據(jù)分別如圖3、圖4所示。正射影像顯示詳細的地理信息和地物特征，DSM數(shù)據(jù)提供輔助的高程信息，為進行土地利用現(xiàn)狀分類提供了堅實的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)與判斷依據(jù)。

（2）土地利用制圖

夏富村及其周邊地區(qū)的土地利用圖如圖5所示，該區(qū)域各土地利用類型大致呈現(xiàn)出條帶狀的分布特征。建筑區(qū)主要位于盆地中部，東臨錦江；盆地內(nèi)有大面積的農(nóng)田、果園分布；草地面積較??；林地主要分布在錦江兩岸以及山體附近。從占比來看，該地區(qū)農(nóng)田、果園占據(jù)了重要地位，是當(dāng)?shù)刂匾慕?jīng)濟來源。在進行旅游開發(fā)的同時，需關(guān)注對林果業(yè)與農(nóng)業(yè)的保護工作，以實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展；同時，為進一步吸引游客，也可考慮通過發(fā)展特色農(nóng)業(yè)，提供獨特的農(nóng)產(chǎn)品體驗，以此增加旅游吸引力。此外，夏富村位于河谷階地，周邊地勢較高，因此，在開發(fā)過程中需特別注意對山區(qū)與林地資源的保護。合理的土地資源管理對于維護生態(tài)平衡、保障可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。該實習(xí)結(jié)果不僅反映了學(xué)生在本次野外綜合實習(xí)中的學(xué)習(xí)成果，而且為當(dāng)?shù)卣c企業(yè)提供了有關(guān)土地利用狀況的重要數(shù)據(jù)支持，為該地未來的區(qū)域發(fā)展和土地資源管理提供重要的科學(xué)參考與依據(jù)。

四、結(jié)語

當(dāng)前，高校地理相關(guān)專業(yè)的GIS實踐教學(xué)大多缺失數(shù)據(jù)獲取環(huán)節(jié)，針對該問題，本文提出了一套基于無人機的GIS野外綜合實習(xí)方案。該方案以廣東省韶關(guān)市仁化縣夏富村為例，針對土地利用制圖這一主題，構(gòu)建了涵蓋數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理、結(jié)果分析等步驟的完整實踐教學(xué)體系。該方案以無人機的操作培訓(xùn)為起點，通過實地操作無人機獲取高質(zhì)量的原始數(shù)據(jù)，再利用GIS軟件進行數(shù)據(jù)處理和分析，最終完成高精度土地利用制圖的實習(xí)任務(wù)。在實習(xí)過程中，學(xué)生將充分體驗到理論與實踐相結(jié)合的學(xué)習(xí)樂趣，并能鍛煉獨立分析和解決問題的能力，為今后的學(xué)習(xí)和工作積累寶貴的經(jīng)驗和技能。實踐證明，無人機技術(shù)的應(yīng)用為GIS實習(xí)提供更加便捷、高效的數(shù)據(jù)獲取方式，推動了GIS實踐教學(xué)的進步與發(fā)展。同時，本文提出的實習(xí)方案也能為其他高校開展GIS野外實習(xí)提供有益參考和借鑒。

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通信作者：劉素紅